工程训练课程改革研究——以“工业机器人”为例

张倩，殷 欣，吴伟才

（武昌首义学院，湖北 武汉 430064）

1 引言

随着信息技术、智能制造、人工智能等领域交叉融合，应用型本科院校传统工科专业的发展严重滞后于产业的发展。近年来，随着经济全球化和科技发展的加速，“新工科”已成为全球高等教育的热门话题，工程训练作为培养工科人才的重要环节，也受到了广泛关注。因此，许多国内外高校已经开始探索工程训练教学改革，以适应新时代的需求。

在国外，美国的麻省理工学院和斯坦福大学等高校，已经推出了一系列针对工程训练的创新教学模式，如PBL（Problem-Based Learning，问题驱动教学法）、CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate，构思、设计、实现、运作）、工程设计竞赛等。这些模式强调学生实践能力的培养，通过项目式教学和团队合作，使学生能够将所学的理论知识与实际应用相结合，提高了学习效果。

在国内，吉林大学工程训练中心赵慧玲教授2014 年在高等教育工程训练气动教学环节中，采用理实一体化教学模式开展教学活动，结合基本理论与实践操作，丰富工程训练教学内容，提高工程训练教学质量。2018 年华中科技大学工程训练中心周世权博士通过对工程训练的探索与实践，理论与实践课程有机结合、进行整体规划，有利于课程的整合和教学水平的提高。

目前，多数高校的工程训练课程教学体系依旧采用传统教学方式，而应用型本科院校转型发展的课程改革重点就是“如何开发利用好工程训练这个实践教学环节”，因此工程训练教学改革势在必行。工程训练教学如何在应用型本科教育转型中发挥自己独特的作用，如何提升教学效果，落实立德树人基本任务，充实课程思政内容，培养同时具有专业理论知识和专业操作技能，又具有坚定理想信念的高级应用型人才，是应用型高校转型亟待解决的问题。本文分析工程训练现有存在的问题，以工程训练中工业机器人为例，从课程内容、教学方法及教学评估三个方面对教学改革进行探讨，将智能制造技术引入工程训练教学中，丰富教学内容，创新教学模式，“教学做”一体化，优化教学评估，培养学生的实践能力，真正发挥工程训练的实践作用。

2 现有工程训练项目存在的问题

工程训练是一门以实践教学为主的专业基础课程，具有鲜明实践性、创新性和综合性三大特征，是高等工程教育重要组成部分[1]。工程训练是大学生将专业知识与实际应用相结合的实践过程，是培养大学生实践能力、综合素质与创新意识的重要途径[2]。工程训练该课程虽开设多年，但教学内容的滞后、教学方法陈旧，创新意识不强及教学资源不足等影响我校实践教学工作，制约我校的工程训练的发展。主要体现在以下几个方面。

2.1 课程体系范围较窄；教学内容陈旧

数十年来，传统金工在金工实训中占有着绝对的优势，教学内容和课程体系数十年不变化。我校工程训练中心实习项目主要包括车工、铣工、钳工、焊接和铸造等工种，未引入现代化高新技术，存在教学与企业实际工作内容脱节的问题。

工程训练在教学内容和教学大纲的设计方面，往往缺少思政教育的融入，对学生缺少劳动教育和大国工匠思想的渗透。学生面对传统金工实训时也会出现失落感和懈怠情绪，不积极、不主动，很少主动思考金工实训实践教学背后的隐藏教育意义。

原金工实训课程仅针对机电学院和信科学院开展实训教学。根据机械类和非机械进行区分，各项目均分教学时长。即所有机械专业统一都是15 天教学；非机械专业皆是5 天教学。

为了缩短学生从学校到企业适应周期，培养高素质人才，如今我们将面向全校学生，甚至经管学院开展工程训练教学，深入企业调研，根据专业人才培养目标及各专业特点，因材施教，引入智能制造设备，重构工程训练课程体系，达到实践育人目的。

2.2 教学资源不足

由于不断扩招，参加工程训练的学生人数日益增多，可用的教学设备有限，学校的教学资源不能满足日渐增加的教学需求。而且都是传统加工设备，未跟随科技发展，引入工业机器人、3D 打印、五轴加工中心等先进智能制造技术，导致传统加工与现代制造技术的矛盾日益突出。

教学资源不足不仅是设备的短缺，试验教师人员数量不足，教学水平参差不齐。实验教师存在老龄化问题，大多是掌握传统工艺的老教师，年龄大，对新技术、新型教学方法接收慢。年轻的试验老师占比少，而且教学经验不足，严重影响了工程训练教学质量的提升。

2.3 教学方法落后

金工实训主要以机械零件制造加工为主。教师通常采用示教法进行示范教学，学生在教师的指引下，按部就班地进行训练。学生只需要被动接收知识，这种教学模式，学生只是按部就班地完成任务，缺乏独立思考的环节，无法培养学生的创新思维[3]。

传统的教学内容、加工工艺及教学方法已经不能满足当前工程训练的教学需要。而一些新材料、新工艺、新设备等未能及时纳入工程训练的教学内容。因此，学生未能及时掌握最新的制造方法和加工技术。

2.4 考评方式单一

金工实训考核主要包括学生平时出勤、课堂表现、任务完成质量及实训报告四大方面。考勤、纪律和课堂表现主要是记录学生是否迟到、早退、有无旷课现象。任务考核指课堂实训环节时学生通过技能实践训练完成的工件，主要检查学生在作业时技能动作规范等情况，检测学生作品完成情况，根据任务评分标准进行赋分，检查学生对技能和理论知识的掌握程度。这种考核方式简单，不利于全面了解学生的真实学习情况[4]。

为了改变现状，更好的促进学科建设与发展，与时俱进，对原有的工程训练中心进行全面升级和改造，引入智能制造相关先进技术，在传统金工的基础上增加了高速五轴加工中心、工业机器人、理实一体化平台、智能制造产线单元、3D 打印机等设备，同时校企共建，引入企业高层次人才来校教学，弥补校内实验教师人员的短缺，对工程训练进行大力教学改革。

3 工程训练教学改革探讨

在新工科背景下，通过与企业合作，引进企业优质资源，在《工程训练》课程中体现“产教融合”，深化“教学做”一体化教学改革，全新打造面向全校的《工程训练》实训课程体系，培育厚德强技的高素质技术人才。

3.1 深入企业调研，完善课程内容和教学体系

中国制造业目前处于数据互联盛行、制造技术不断推陈出新的时代，通过对高校及企业进行调研，深入了解智能制造产线、工业机器人、五轴加工及3D 打印等相关新技术，梳理出新的用人需求和课程模式。通过调研分析获得的岗位需求，结合院校制订的《2022 版本科专业人才培养方案》，再根据国家专业教学标准、专业人才培养方案，修订了《工程训练》课程内容及评价标准，更新教学大纲。校企合作共建优化《工程训练》课程教学资源，结合各专业特点，完善课件制作、录制操作视频、梳理课程实操的三维模型，制作课件资源库、操作视频库、模型库、练习题库等课程资源，方便学生查询。

除传统金工外，学生需要了解智能制造等新技术在现代制造业中的应用，熟悉智能制造先进设备如五轴加工中心、工业机器人、3D 打印机和智能制造产线等操作使用方法，以及机械制造中零件智能加工工艺流程；了解智能制造系统程序控制、监控或运行维护流程。

本校之前只对机电学院以及信科学院开设金工实训课程。按机械和非机械简单分类，车-铣-钳-焊-铸五项均分实训时长，机械类学生开展为期三周实训，非机械类开展为期一周实训课程（见表1）。

表1 传统金工实训时长

根据最新的教学大纲，工程训练增加智能制造相关实习内容，按专业将工程训练细分了不同工种和教学时长（见表2）。针对机电类机械专业学生开展高阶层级教学，在传统金工实训的内容上，增加了智能制造工程实践项目，体现新工科专业的特色。对于一般工科专业开展特殊层级教学，学生学习物联网、工业大数据、云数控等工程实践项目；针对文科专业，开展普适层级教学，学生以智能制造工程基础认知教学为主，普及新技术。

表2 工程训练实训时长

然后按照OBE（Outcomes-based Education，基于学习产出的教育模式）教育理念融入工程训练具体项目课程教学的整个过程，形成完整的教学设计[5]，如图1 所示。

图1 基于OBE 理念的实训课程的教学设计框架

3.2 改革教学方法

将《工程训练》内容的“学”与各类“做”相结合，通过设计《工程训练》课程教学项目，真实任务驱动，采用案例教学法、演示法、任务驱动法和角色扮演法等小组协作完成任务，遵循“成果导向、以学生为中心、持续改进”的OBE 教学基本理念，引导、协助学生探索知识、掌握知识，培养分析与解决问题的能力。

运用数控云管家、多媒体教学、智能制造产线及其虚拟仿真实训考评系统、工业机器人及其虚拟仿真实训考评系统等教辅软件和设备，通过师生的“做”，将教师的“教”与学生的“学”有机结合，将“教”“学”“做”融为一个整体，构筑《工程训练》课程的“教学做”一体化，激发学生学习兴趣、调动学生的积极性，培养学生自主学习能力，强化学生的主观能动性；培养学生的“工匠”意识、提高学生的实践动手能力，强化学生的主观能动性。

下面以2022 级机械专业工程训练中的“工业机器人”课程为例展开介绍。

（1）分析学生学情，合理制定学习目标 工程训练的课程都是在大二阶段开展。机械专业学生已经在大一学习了工程制图和C 语言等基础课程，具备一定的机械相关知识和编程基础，但动手能力和综合运用能力尚待提高。在设置实训任务时，要充分考虑基础性实训项目和综合性项目直接的逻辑相关性，由小项目一步步，由简到难，最后让学生达到了完成综合性项目的水平。让学生可以通过实训项目真正掌握企业的工作流程，体会企业的工作要求。

“工业机器人”该门实训课程主要包括工业机器人拆装和工业机器人应用两大部分。通过这两方面的工程训练，让学生获得以下能力：①了解工业机器人应用、机械本体结构及拆装工具的认知与使用等，熟悉工业机器人故障诊断和维护保养的常规方法；②掌握工业机器人坐标系的标定、示教编程等操作方法，了解工业机器人离线编程；③熟悉工业机器人机械装调虚拟仿真实训和考评系统，能够熟练完成对应的操作任务，掌握工业机器人结构的拆装操作流程，能够按照电气原理图进行电气元器件及线路的安装与调试。

在课程设置时，先安排学生学习工业机器人拆装，通过工业机器人装调实训平台（如图2 所示），学生学习工业机器人本体的拆装及机械结构组成，了解工业机器人电气控制原理及电气零部件。利用工业机器人及其虚拟仿真实训考评系统，让学生在对工业机器人基础结构以及基本操作有一定认识之后再来开展工业机器人应用的教学。借助工业机器人多功能工作站（如图3 所示）斜面搬运、电机装配、码垛模块等功能模组，学习工业机器人的示教编程，完成绘图码垛等编程任务。

图2 工业机器人装调实训平台

图3 工业机器人多功能工作站

（2）分解教学目标，设计教学内容 在工业机器人教学设计时，依据企业专业岗位职业资格标准，把企业的工作项目转化为教学模块，项目开发中各工作子任务转化为学习任务，课程内容与制造行业标准对接、教学过程与工程项目开发的过程对接。该课程综合设计了“任务6：工业机器人码垛搬运”这一综合任务。根据这一综合项目涉及到的知识点，包括机器人运动指令、IO 指令、循环和寄存器赋值指令等，将任务6 拆分成5 个小任务，如图4 所示，学生通过前期完成任务1～5 掌握任务6 需要的知识点，最终实现码垛程序的正确编辑。6 个任务虽相互独立，但是又存在一定的逻辑关系。

图4 教学任务与教学目标的关系

（3）按目标教学，多种教学方法并举 课前引导文推送，提高学生学习积极性。课前通过超星等教学APP给学生分享工业机器人应用视频以及尖端技术，提高学生对课程的期待值，潜移默化的激发学生的学习积极性。

课中可展示往届学生的优秀作品，既直观的展示了任务内容，又增加了学生的自信心。工业机器人实训项目是以任务驱动，4 人为小组进行作业。既需要独立完成，也需要团队协作，共同完成之后由教师一并验收。任务发布后，具体的角色分配都是学生自己沟通决定，锻炼了学生的组织协调能力，并鼓励同学之间互帮互助。优秀学生作品展示如图5 所示，团队协作如图6 所示。

图5 优秀学生作品展示

图6 团队协作

在实际教学过程中，推荐采用教师指导、学生演示模式，增加师生互动性。学生演示其实是学生独立尝试把理论的知识进行转化的过程，提高了学生的思考创新能力；亲自动手老师从旁指导，锻炼了学生的动手能力。教学过程中，可以鼓励其他学生充当老师的角色，对操作者进行打分点评，指出其操作的优缺点。教师可以借此再次强调关键知识点，加深学生印象，有效提高教学质量。

课后对完成度较好的同学的作品进行展示并录制视频，让学生产生自豪感，从而增加学生自驱力。录制的优秀作品可以发给学生留作纪念，也是后续制作课件PPT的优秀资源。

3.3 构建“多元+多维”的全过程考核评价方式

OBE 教学模式要求在实施过程中以多样化的教学评价方法，动态地把握学生知识、能力、素质的变化情况；同时新工科的教育理念也要求以学生为中心，增强师生互动，改革教学方法和考核模式，形成以学生为中心的工程教育模式[6]。以此为依据，工程训练课程建立了多元化的考核体系，丰富的评价内容，注重评价的过程化。

工程训练的考核方式为考查。改革《工程训练》课程教学评价方式，对学生的考核分散在课前、课中和课后。对接行业企业标准制定考核标准，依据学习目标和需要取得的学习成果设置考核节点，组建校内教师、组长、组员等组成的多元评价主体，重视平时考核（过程考核。建立以学生实际完成的课堂任务质量为评价依据，涉及学生成果完成时间、精度、规范程度和情感态度等多维度的“多元+多维”的全过程考核评价方式。根据学生在实训期间的表现（包括团队协作问题）、出勤及纪律情况、作品和实训报告的质量，综合评定出实训成绩。

实训课程总评成绩包含平时成绩、实操考核、实训报告三大部分，按五级制进行评定。按照各专业的项目实训时长，设置了各专业具体的考核细则和不同考核环节所占分值。机器人专业工程训练考核细则见表3。

表3 机器人专业考评细则

实训报告不止是一个实训任务的简单总结，更是学生用来分享实习心得、师生交流互动的渠道。鼓励学生在实训报告中分析实习感受，提出课程意见。课后教师可针对学生建议、同行互评、督导评课及自我反思等，分析和反思教学，对课程进行优化调整，不断促进工程训练课程的完善。

4 结束语

国内外的研究表明，采用创新的教学模式，强调实践能力培养，可以提高学生的学习效果和实际应用能力。未来，我们需要不断深化教学改革，探索更多适合新时代需求的教学模式，以培养更多的高素质工科人才。通过对金工实训课程进行升级改造，融合新工科元素，重构课程体系，使传统工科专业的工程训练课程跟上时代步伐，培养出更加符合经济发展和国家的需求的人才。按照生产实际创设学习情境，坚持实用案例为教学模块，对教学资源进行持续建设和改进，设计和优化工程训练课程课程体系和教学内容，融入现代信息技术，依托智慧教研拓展学习时间和空间，为学生自主学习提供支撑。通过课程教学中教师引导的“教”，学生探索性的“学”，把学科知识运用到“做”中来，探索需要解决的问题，促使学生掌握知识，开拓其分析与解决问题的思路。

目前已经对文科专业经管学院尝试开展工程训练教学，后续会面向全校学生，都开展工程训练教学。通过工程训练教学改革，将教师的“教”、学生的“学”紧密联系，“教学做”一体化，让学生参与实践，加强与他人沟通合作，在实践过程中，将理论与实际相融合，通过自身有意识的实际操作，提升职业能力、弘扬劳模精神、浸润工匠文化。